一种U型分层式土壤氧化亚氮气体采集方法及装置与流程

一种u型分层式土壤氧化亚氮气体采集方法及装置
技术领域
1.本发明属于模拟淹水落干条件下稻田土壤氧化亚氮(排放的技术领域，更具体涉及一种u型分层式土壤氧化亚氮气体采集方法，同时还涉及一种u型分层式土壤氧化亚氮气体采集的装置。


背景技术：

2.氧化亚氮(n2o)是一种重要的温室气体，对全球变暖的贡献率高达6％，其全球变暖的潜力在100年内是二氧化碳的300倍。大气氧化亚氮(n2o)浓度大约每年以0.3％的速率在增加，氧化亚氮(n2o)大量排放也促使臭氧层的耗竭(braker,2011)。稻田土壤是我国主要的农田土壤类型之一，更是重要的氧化亚氮(n2o)排放来源，其氧化亚氮(n2o)排放量占陆地总量22％(白仁朴，2013)。研究表明稻田节水灌溉管理模式中的烤田、干湿交替等措施可导致稻田土壤氧化亚氮(n2o)的大量排放(cai et al.,1997)。
3.由于氧化亚氮(n2o)排放通量主要测定土气界面氧化亚氮(n2o)释放动态，反映的是单位面积的氧化亚氮(n2o)气体总量，但缺乏对土体不同剖面部位氧化亚氮(n2o)产生、转化以及对氧化亚氮(n2o)排放的贡献认识。原位采集土壤剖面氧化亚氮(n2o)气体是准确测定、计算土壤氧化亚氮(n2o)排放通量的关键技术。因此，本发明将通过采集水稻原土土柱(0
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20cm)，置于室内恒温培养，外源向土壤添加尿素后，并施以淹水落干处理，利用u型分层式土壤氧化亚氮(n2o)气体采集装置系统监测不同土层内氧化亚氮(n2o)排放量，探究氧化亚氮(n2o)排放与土壤剖面氧化亚氮(n2o)浓度的内在联系规律。


技术实现要素：

4.为解决上述现有技术存在的问题，本发明的目的是在于提供了一种u型分层式土壤氧化亚氮(n2o)气体采集的方法，方法易行，操作方便。有利于模拟田间原状水稻土氧化亚氮(n2o)排放过程，克服了常规的静态箱气体采集法因受温度、箱体大小等因素的影响而导致测量结果出现偏差的缺陷，同时也克服了在采用定位埋植采样瓶方法收集土壤气体时，不能随时随地采集土壤气体的缺陷。该方法可以在恒温条件下，在不需要埋植的情况下实现对土体不同剖面部位氧化亚氮(n2o)产生、转化以及对氧化亚氮(n2o)排放的准确检测，确保后续气象色谱仪可以实现精确测定氧化亚氮(n2o)的排放量。
5.本发明的另一个目的在于提供了一种u型分层式土壤氧化亚氮(n2o)气体采集的装置，克服了一般静态箱隔热效果不好，易引起测量误差，且大多设备体积较大、质量较重，携带、运输及安装不便的缺陷，也克服了开放式动态箱在使用时，气流压力难以控制、操作困难，从而可能会导致数据波动的缺陷，同时也克服了整个系统精密度要求高，价格昂贵，不易开展大面积监测的缺陷，该装置结构简单，体小质轻，成本低廉，适用广，操作性强、携带、运输、拆装方便且观测方便。
6.为了实现上述的目的，本发明采用以下技术方案：
7.一种u型分层式土壤氧化亚氮(n2o)气体采集方法，其步骤是：
8.a、制作土样采集装置：用外径(de)16cm，内径(d)15cm，高(h)25cm的pvc管桶自制土样采集装置，并在管壁标记20cm深度刻线以及方向箭线，用pvc板制成配对桶底板，取样前不密封。
9.b、制作u型集气管：将进口硅胶管(de 14mm，d 10mm，透气不透水)截至长为15cm若干(2－8个，视用量而定)(并用配套的硅胶塞密封管两端待用)，用于培养土柱各土层气样采集。每两截硅胶管用u型不锈钢毛细管(d 3mm)连接一端后待用。
10.c、采集原状土柱：用制作好的pvc采样桶采集水稻土原状土柱(0
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20cm)，尽量保证土柱结构完整无破坏，采完土样后，用已制配套pvc底板封底后包裹保鲜膜并运回实验室。
11.d、u型集气管装入各土层预留孔口中，组合安装好土样培养装置：分别在管壁离土表层2.5、7.5、12.5.、17.5cm高度处沿水平方向打二个并列孔(d 14mm)，将连接好的u型集气管装入各土层预留孔口中，最后在外部用连接三通阀的2mm不锈钢针头插入硅胶管一侧，该装置用于收集各土层气样(外用南大704硅胶密封，以保持pvc管整体的气密性)。
12.e、制作气体通量采集装置：气体通量采集装置用相同尺寸的pvc管(de 16cm，d 15cm，h 25cm)，将(de 20.6cm d 20cm，h 29.5cm)pvc板密封一端后作为顶部，在盖顶部向内安装风扇，向外连接电源及三通阀用于采气，作为气体通量采集装置(外用南大704硅胶密封各个接口)。在土样培养装置上部设置可固定气体通量采集装置的不锈钢方盘，采样前用水密封(在不锈钢方盘中加入去离子水，水层2厘米深左右保持不变)。
13.f、待桶壁完全密封后开始实验设置处理：施肥标准为200kg n
·
h
‑
2，施肥方式为外源添加尿素{co(nh2)2}(urea
‑
15n2)，各处理土柱尿素添加为：于2018年4月13日上午10:00时对各个土柱进行湿润处理(使各土壤表层呈微现水层状态)，配置7.58g
·
l
‑
1的碳酰二胺{co(nh2)2}溶液，于2018年4月27日上午9:00时将100ml碳酰二胺{co(nh2)2}溶液缓慢均匀加入各土柱土壤表层，并使土表维持2cm自由水深。而后立即用高纯度的氦气置换各土层硅胶管中气体：连续重复置换3次。开始计时，以淹水24h代表淹水第1d，之后每24h为1d；淹水28d后于当天21:00进行落干处理，以落干12h代表落干第1d，之后每24h为1d，连续培养63d。
14.g、氧化亚氮(n2o)的收集在培养过程的第1、4、7、9、11、14、16、19、21、24、28、30、32、35、38、40、42、44、46、48、50、53、55、58、61、63d分别收集氧化亚氮(n2o)气体。每次气体收集时间均为上午9：00开始，首先进行各处理1h氧化亚氮(n2o)排放通量气体样品收集，采气时将气体通量采集装置放置于气体采样的培养土柱凹槽上，并用水密封，接通电源使顶部风扇转动使其充分混匀气体通量采集装置内气体，而后使用注射器衔接装置顶部三通阀进行采气。分别在第0min和60min各采一次气体样品，每次收集30ml气样，在48h内测定所采气体样品。随后用注射器从分层硅胶管中由上往下分别采集5ml体积气样(高纯he气补齐30ml)，测定氧化亚氮(n2o)浓度。可监测不同土层内氧化亚氮(n2o)排放量。
15.通过上述七个步骤的技术措施，最关键的在以下几个步骤：
16.本发明的步骤c、步骤d和步骤g：采集原状土柱，有利于模拟淹水落干条件下的稻田土壤；在实验室内进行气体采集实验，避免了气体排放量受温度的影响；采用u型分层式土壤氧化亚氮(n2o)气体采集方法，可在不破坏土壤原始结构的基础上随时随地采集土壤气体。
17.一种u型分层式土壤氧化亚氮(n2o)气体采集装置：它由三个主体结构组成，包括
土样培养装置、气体通量采集装置、不锈钢方盘底座(8)。不锈钢方盘与土样培养装置中的pvc管相接触区域用704胶密封好，气体通量采集装置，在采集气体样品前罩在不锈钢方盘底座上，衔接处用水密封。土样培养装置包括pvc底板、pvc管、四组u型集气管、不锈钢针头和三通阀；所述的土样培养装置其特征在于：所述的pvc底板设置在该装置的最底端，所述的pvc管位于pvc底板正上方，二者衔接处用南大704硅胶密封。所述的pvc管内上下排列四组u型集气管，四组u型集气管分别于管壁离土表层2.5、7.5、12.5.、17.5cm高度处插入预留孔中与管壁连接，衔接处用南大704硅胶密封。所述的u型集气管由硅胶塞、硅胶管、u型不锈钢毛细管组成。每截硅胶管两端分别用硅胶塞密封，每两截硅胶管左右方向水平并列放置。u型不锈钢毛细管分别连接左右硅胶管朝外的端口。密封桶壁和各个部件接口、衔接处用南大704硅胶密封。在其外部用一根2mm不锈钢针头插入右硅胶塞连接到右硅胶管。所述的三通阀连接在不锈钢针头外端。该u型集气管用于收集各土层气样(外部所有衔接处用南大704硅胶密封，以保持pvc管整体的气密性)。所述的不锈钢方盘底座覆盖在土样培养装置顶部，不锈钢方盘底座(8)中间挖掉一个圆形(直径10cm)，将土样培养装置放入圆形中，底部用土样培养装置的pvc管支撑，不锈钢方盘和pvc管相接触区域用704胶密封好。气体通量采集装置包括pvc管、三通阀、不锈钢毛细管、pvc板(顶部)、电风扇和电线，所述的气体通量采集装置用相同尺寸的pvc管作为底部，将pvc板密封一端后作为顶部；不锈钢毛细管一端穿过盖顶部小孔向内延伸，不锈钢毛细管另一端朝外与三通阀连接，用于采集氧化亚氮(n2o)气体排放通量。在盖顶部向内安装电风扇，外部连接电线，用于采气前混匀气体(外用南大704硅胶密封各个接口)。所述的气体通量采集装置，在采集气体样品前罩在不锈钢方盘底座上，衔接处用水密封形成一个封闭的系统。
18.上述另部件中u型集气管是关键部件。所述的u型集气管装入各土层预留孔口中，最后在外部连接三通阀模拟了田间原状水稻土氧化亚氮(n2o)排放过程，该u型集气管用于收集各土层气样。该装置克服了以往只可以检测单位土壤面积氧化亚氮(n2o)气体的净排放量问题，以及前人采用定位埋植采样瓶方法收集土壤气体时，需破坏土壤原始结构以及不能随时随地采集土壤气体的问题。该装置可以方便且准确检测土体不同剖面部位氧化亚氮(n2o)产生、转化以及对氧化亚氮(n2o)排放，从而探究两者之间的关系。
19.本发明与现有技术相比，具有以下优点和效果
20.1.土壤氧化亚氮(n2o)的排放是土壤氧化亚氮(n2o)产生和消耗作用共同的结果。传统的土壤气体采集方式基于土壤表面，只能收集土壤表面排放的氧化亚氮(n2o)气体，是土壤氧化亚氮(n2o)净排放量。本发明采用u型集气管装入各土层预留孔口中，最后在外部连接三通阀方便分层收集各不同深度气样。
21.2.本发明实用性新型气体采集装置，结构简单，设计合理，在土样培养装置的pvc管内上下排列4组u型集气管，具有成本低廉、适用范围广、可操作性强的优点。
22.总之，此方法能够准确收集原状土柱不同土壤深度产生的氧化亚氮(n2o)，装置简单，操作方法易行。
附图说明
23.图1为一种u型分层式土壤氧化亚氮(n2o)气体采集装置结构示意图。
24.图2为一种u型集气管结构示意图。
25.其中：1
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pvc底板、2a
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第一pvc管、2b
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第二pvc管、3
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硅胶塞、4
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硅胶管、5
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u型不锈钢毛细管、6
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不锈钢针头、7a
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第一三通阀(市场上购置)、7b
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第二三通阀(市场上购置)、8
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不锈钢方盘、9
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不锈钢毛细管、10
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pvc板(顶部)、11
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电风扇(普通)、12
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电线。
具体实施方式
26.下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。
27.实施例所述的实验为测定我国南方不同土壤母质原状水稻土在淹水落干过程中不同土层氧化亚氮(n2o)气体的排放动态。
28.实施例1：
29.一种u型分层式土壤氧化亚氮(n2o)气体采集方法，其步骤是：
30.a、制作土样采集装置：用外径(de)16cm，内径(d)15cm，高(h)25cm的pvc管桶自制土样采集装置，并在管壁标记20cm深度刻线以及方向箭线，用pvc板制成配对桶底板，取样前不密封。
31.b、制作u型集气管：将进口硅胶管(de 14mm，d 10mm，透气不透水，截至长为15cm若干(2－8个，视用量而定)并用配套的硅胶塞密封管两端待用，用于培养土柱各土层气样采集。每两截硅胶管用u型不锈钢毛细管(d 3mm)连接一端后待用。
32.c、采集原状土柱：用制作好的pvc采样桶采集水稻土原状土柱(0
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20cm)，尽量保证土柱结构完整无破坏，采完土样后，用已制配套pvc底板封底后包裹保鲜膜并运回实验室。
33.d、u型集气管装入各土层预留孔口中，组合安装好土样培养装置：分别在管壁离土表层2.5、7.5、12.5.、17.5cm高度处沿水平方向并列打二个孔(d 14mm)，将连接好的u型集气管装入各土层预留孔口中，最后在外部用连接三通阀的2mm不锈钢针头插入硅胶管一侧。该装置用于分层收集不同深度土壤气样(外用南大704硅胶密封，以保持pvc管整体的气密性)。
34.e、制作气体通量采集装置：气体通量采集装置用相同尺寸的pvc管(de 16cm，d 15cm，h 25cm)，将(de 20.6cm d 20cm，h 29.5cm)pvc板密封一端后作为顶部，在盖顶部向内安装风扇，向外连接电源及三通阀用于采气，目的是为了采气前混匀气体样品(外用用南大704硅胶密封各个接口)。在土样培养装置上部安装可固定气体通量采集装置的不锈钢方盘，采样前用水密封(在不锈钢方盘中加入去离子水，水层2厘米深左右保持不变)，目的是形成一个封闭的系统。
35.f、待桶壁完全密封后开始实验设置处理：施肥标准为200kg n
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h
‑2，施肥方式为外源添加尿素{co(nh2)2}(urea
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15
n2)，各处理土柱尿素添加为：于2018年4月13日上午10:00时对各个土柱进行湿润处理(使各土壤表层呈微现水层状态)，配置7.58g
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‑1的碳酰二胺{co(nh2)2}溶液，于2018年4月27日上午9:00时将100ml碳酰二胺{co(nh2)2}溶液缓慢均匀加入各土柱土壤表层，并使土表维持2cm自由水深。而后立即用高纯度的氦气置换各土层硅胶管中气体(连续重复置换3次)，目的是排除硅胶管有残留的空气对实际产生的氧化亚氮(n2o)气体的污染和干扰。开始计时，以淹水24h代表淹水第1d，之后每24h为1d；淹水28d后于当天21:00进行落干处理，以落干12h代表落干第1d，之后每24h为1d，连续培养63d。
36.g、氧化亚氮(n2o)的收集在培养过程的第1、4、7、9、11、14、16、19、21、24、28、30、32、35、38、40、42、44、46、48、50、53、55、58、61、63d分别收集氧化亚氮(n2o)气体。每次气体
收集时间均为上午9：00开始，首先进行各处理1h氧化亚氮(n2o)排放通量气体样品收集，采气时将气体通量采集装置放至用于气体采样的培养土柱凹槽上(土样培养装置上部与不锈钢方盘底座接触部分)，并用水密封，并接通电源使顶部风扇转动使其充分混匀气体通量采集装置内气体，而后使用注射器衔接装置顶部三通阀进行采气。分别在第0min和60min各采一次气体样品，每次收集30ml气样，在48h内测定所采气体样品。随后用注射器从分层硅胶管中由上往下分别采集5ml体积气样(高纯he气补齐30ml)，测定氧化亚氮(n2o)浓度。
37.通过上述具体实施可以在恒温条件下，在不需要埋植的情况下实现对土体不同剖面部位氧化亚氮(n2o)产生、转化以及对氧化亚氮(n2o)排放的准确检测，确保后续气象色谱仪精确测定氧化亚氮(n2o)排放量。
38.实施例2：
39.根据图1、图2可知，一种u型分层式土壤氧化亚氮(n2o)气体采集装置，该装置包括土样培养装置、气体通量采集装置、不锈钢方盘底座(8)，不锈钢方盘底座(8)与土样培养装置中的pvc管相接触区域用704胶密封好，采集气体样品前罩在不锈钢方盘底座(8)上，衔接处用水密封。其特征在于：土样培养装置包括pvc底板(1)、第一pvc管(2a)、四组u型集气管、不锈钢针头(6)、第一三通阀(7a)，所述的pvc底板(1)设置在该装置的最底端，第一pvc管(2a)位于pvc底板(1)上方，二者衔接处用南大704硅胶密封。第一pvc管(2a)内上下排列四组u型集气管，四组u型集气管分别于管壁离土表层2.5、7.5、12.5.、17.5cm高度处插入预留孔中与管壁连接，衔接处用南大704硅胶密封。所述的不锈钢方盘底座(8)覆盖在土样培养装置顶部，不锈钢方盘底座(8)尺寸为18cm*18cm*3cm(长*宽*高)，不锈钢方盘底座(8)中间挖掉一个圆形(直径10厘米)，将土样培养装置放入圆形中，底部用土样培养装置的第二pvc管(2b)支撑，不锈钢方盘(8)和第一pvc(2a)及第二pvc管(2b)相接触区域用704胶密封好，所述的气体通量采集装置，用相同尺寸的第一pvc管(2a)及第二pvc管(2b)(de 16cm，d 15cm，h 25cm)作为底部，将(de 20.6cm d 20cm，h 29.5cm)pvc板(10)密封一端后作为顶部；不锈钢毛细管(9)一端穿过盖顶部小孔向内延伸，不锈钢毛细管(9)另一端朝外与第二三通阀(7b)连接，用于采集氧化亚氮(n2o)气体排放通量。在盖顶部向内安装电风扇(11)，外部连接电线(12)，所述的u型集气管由硅胶塞(3)、硅胶管(4)、u型不锈钢毛细管(5)组成。每截硅胶管(4)两端分别用硅胶塞(3)密封，每两截硅胶管(4)左右方向水平并列放置。u型不锈钢毛细管(5)分别连接左右硅胶管(4)朝外的端口。密封桶壁和各个部件接口，衔接处用南大704硅胶密封。所述的u型集气管，在其外部用一根2mm不锈钢针头(6)插入右硅胶塞(3)连接到右硅胶管(4)。所述的第一三通阀(7a)连接在不锈钢针头(6)外端。该u型集气管用于收集各土层气样(外部所有衔接处用南大704硅胶密封，以保持pvc管整体的气密性)。气体通量采集装置包括第二pvc管(2b)、第二三通阀(7b)、不锈钢毛细管(9)、顶部pvc板(10)、电风扇(11)、电线(12)。用于采气前混匀气体(外用南大704硅胶密封各个接口)。所述的气体通量采集装置，在采集气体样品前，将气体通量采集装置罩在不锈钢方盘底座(8)上，衔接处用水密封形成一个封闭的系统。
40.通过上述具体部件，所述的u型集气管可以方便且准确检测土体不同剖面部位氧化亚氮(n2o)产生、转化以及对氧化亚氮(n2o)排放，从而探究两者之间的关系。